[發明專利]基于目標照射需求的準直透鏡設計方法

有效

• 申請號: 202210281266.2
• 申請日: 2022-03-22
• 公開（公告）號: CN114578553B
• 公開（公告）日: 2023-09-19
• 發明（設計）人: 孔令豹;沈曉慧
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G02B3/02
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 王潔平

本發明公開了一種基于目標照射需求的準直透鏡設計方法。具體為：建坐標系；選取光源、透鏡邊緣點坐標和目標面范圍；給定透鏡邊緣點初始法線方向；以透鏡邊緣點為首個透鏡采樣點，改變該點法線方向直至根據計算投射在目標面指定范圍；由透鏡采樣點法線方向和其移動距離求解下個透鏡采樣點，直至點接近坐標軸；光源為圓形對稱面光源時，將采樣點相連建模獲得輪廓母線，將該母線旋轉一周得非球面透鏡面；光源為非圓形對稱面時，將光源、采樣點與目標面同繞光軸旋轉后，重復采樣，旋轉360°后，采樣點相連建模得自由曲面透鏡面；最終得準直透鏡。本設計方法靈活，可根據需求隨時調整，用于單光源或陣列光源的準直，能量損失小，準直效果良好。

技術領域

本發明屬于光學設計和測量技術領域，具體涉及一種基于目標照射需求的準直透鏡設計方法。

背景技術

激光光源的性能非常良好，因此可以應用在探測、成像、制造等領域。而激光光束的質量好壞往往決定了激光所能應用的場景以及能取得結果的好壞，簡單來說，激光光束的評價標準有光束發散角、光強大小等。而在測距、成像、探測等領域，限制激光光束的應用的主要原因來自于光束的發散角，大量光線由于發散角的存在無法照射到目標面上，從而從目標面反射回來的光線數量稀少，探測難度大，造成了探測距離、探測精度都受到限制的結果。

針對提升激光在探測理論的應用范圍，對光束的評價從最實用的角度來說，就是希望激光光束能夠以最少的能量損失均勻照射在目標上，即利用最小的光斑完全均勻照亮目標。通過透鏡的調控，使得激光光束能夠以最大功率，最小的光斑完全照亮目標，在目標面上光線反射達到探測面上，就能實現更高強度的信號返回，實現更高精度、更遠距離的探測。因此，如果能實現在目標面上的精準照射，對于激光在各個領域的應用都具有及其重大的意義。

此前的準直方法大多都基于對光源的發散角控制作為目標進行透鏡的設計，然而在實際使用時，人們更加關注的其實是光束照射質量的問題，因此使用光斑在目標面上的表現作為評價的標準，事實上是具有更加強的實用意義的。

發明內容

本發明的目的在于設計一種基于目標照射需求的準直透鏡設計方法；本發明的準直透鏡是通過對目標的光斑進行控制達成準直目的；本設計方法設計靈活，無需進行二次優化，可根據實際需求隨時進行調整，可以用于單光源或陣列光源的準直，能量損失小，準直效果良好。

本發明的技術方案具體介紹如下：

本發明提供一種基于目標照射需求的準直透鏡設計方法，準直透鏡是通過對目標的光斑進行控制達成準直的目的，設計的結果為一自由曲面透鏡；設計方法具體為：

(1)建立空間坐標系，空間坐標系的中心為光源的中心，光源為非圓形對稱面，光源在x-z平面上，則光軸為空間坐標系的y軸；

(2)選取光源邊緣點、透鏡邊緣點的坐標以及目標面的指定范圍；光源邊緣點為O：(0，0，s_i)、O'：(0，0，s′_i)，O和O'分別為光源與z軸相交線段的兩個端點；透鏡邊緣點坐標為P₀：(0，y₀，z₀)，y₀為透鏡邊緣與光源距離，z₀為透鏡口徑大小；目標面的指定范圍在點A(0，y，a_i)與點A'(0，y，a′_i)連接的線段上，y為目標面與光源的距離；

(3)給定透鏡邊緣點的初始法線方向，利用折射定律計算兩個光源邊緣點所在位置的點光源發出的兩條光線在通過透鏡邊緣點后，投射在目標面上的位置；

(4)以透鏡邊緣點作為第一個透鏡采樣點，改變第一個透鏡采樣點的法線方向直至兩個光源邊緣點所在位置的點光源發出的兩條光線，在折射定律計算后光線投射的位置在目標面的指定范圍內，記錄此時滿足目標照射需求時的透鏡采樣點對應的法線方向，并計算法線對應的斜率；